1. DNA و کروموزوم ها
مبانی زیست شناسی سلولی آلبرت (فصل 5)

2. مباحث زیست شناسی مولکولی
ژن چیست (ماهیت شیمیایی ژن ها و ساختار نوکلئیک اسید)
اطلاعات چگونه از لحاظ فیزیکی سازمان یابی می شوند (ساختار کروماتین-کروموزوم)
اطلاعات درون ژن ها چگونه کپی برداری می شود و از یک سلول به سلول بعدی منتقل میشود (همانندسازی)
چگونه ژن ها بیان می شوند و به ساخت RNA و پروتئین ها (ماکرومولکول هایی که عملکردهای سلولی را انجام می دهند) منجر می شود (رونویسی و ترجمه)
چگونه بیان ژن ها در زمان ها و مکان های مختلف تنظیم می شود (تنظیم بیان ژن)
جهش و ترمیم DNA
مباحث زیست شناسی مولکولی

3. ژن چیست
ژن ها عناصر حاوی اطلاعاتی هستند که تمام خصوصیات گونه و افراد را مشخص می کنند.
اطلاعات درون ژن ها کپی برداری شده و از یک سلول به سلول دختری منتقل می شود و این عمل میلیون ها بار در زندگی یک موجود پرسلولی رخ می دهد.
اطلاعات موجود در ژن ها برای ساختن پروتئین استفاده می شود.
مجموعه کاملی از اطلاعات واقع در DNA هر موجود زنده را ژنوم آن موجود می گویند

4. ماهیت شیمیایی ژن ها چیست
قبل از کشف ماهیت شیمیای ژن ها، آزمایشات مورگان ( سال 1903) نشان داد که ژن های تعیین کننده صفات وراثتی بر روی کروموزوم ها (ساختارهای رشته مانند در هسته) قرار دارند.
آنالیز بیوشیمایی نشان داد که کروموزوم= DNA + پروتئین
به دلیل سادگی ساختار شیمیایی DNA و تنوع شیمیایی پروتئین ها ابتدا (دهه 1920) تصور می شد که ژن ها از پروتئین ساخته شده است

5. ماهیت شیمیایی ژن ها چیست آزمایش (1): گریفیث و همکاران
باکتری استرپتوکوکوس پنومونیا: عامل بیماری پنومونی (سینه پهلو)
1- بیماری زا: واجد کپسول و کلنی صاف (S)
2- غیربیماری زا: فاقد کپسول و کلنی ناصاف (R)
نتیجه:
پنوموکوک کشته شده باعث تغییر باکتری غیربیماری زا به
بیماری زا شده بود
باکتری تغییریافته به صورت پایدار تغییریافته است و صفت
بیماری زایی را در محیط کشت حفظ می کند : عامل تراریختی
باید ماده ژنتیکی باشد
چه ماده ای باعث این تغییر شده است؟
ماهیت ماده ژنتیکی چیست؟

6. ماهیت شیمیایی ژن ها چیست آزمایش (2): آوری و همکاران
عامل ترا ریخت کننده (عصاره سلول های بیماری زا مرده)
+پروتئاز یا ریبونوکلئاز
+ باکتری زنده غیربیماری زا
= مرگ موش
+ دزوکسی ریبونوکلئاز
= عدم مرگ موش
عامل تراریخت کننده (ماده ژنتیکی) : DNA

7. ماهیت شیمیایی ژن ها چیست آزمایش (3): هرشی و چیس
باکتریوفاژ T2: ماده ژنتیکی خود را به سلول باکتری تزریق می کنند و کپسول خالی ویروس در خارج باکتری باقی می مانند. ژن های ویروسی به محض ورود به سلول منجر به تشکیل ذرات ویروسی جدید می گردد و در نهایت سلول آلوده شده لیز شده و هزاران ویروس ها در محیط رها می شوند.
باکتریوفاژ: DNA+ پروتئین (ماده ژنتیکی؟)
DNA حاوی فسفات و پروتئین حاوی گوگرد است.
ویروس هایی ایجاد شدند که حاوی P32 و یا S35 بودند
رسوب باکتری و محتوای ژنتیکی وارد شده ویروس حاوی فسفات رادیواکتیو P32 است.
ماده ژنتیکی از DNA ساخته شده است

8. ساختار DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید)
باز+ قند دزوکسی ریبوز= نوکلئوزید+ فسفات= نوکلئوتید

9. پیوند فسفو دی استر در زنجیره پلی نوکلئوتیدی
پیوند فسفودی استر بین گروه 3` OH یک نوکلئوتید و 5'-PO4 نوکلئوتید بعدی ایجاد می شود.

10. یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی
زنجیره پلی نوکلئوتید دارای قطبیت با یک انتهای 3` OH و یک انتهای 5'-PO4 می باشد

11. اتصال دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی در DNA توسط پیوندهای هیدروژنی بین بازهای دو رشته مخالف مارپیچ مضاعف را تشکیل می دهد
ستون فقرات از قند-فسفات تشکیل شده است و بازها درون مارپیچ با هم جفت می شوند (پورین با پیریمیدین)
در هر پیچ مارپیچ 10 جفت باز وجود دارد.
در مارپیچ راست گرد دو فرو رفتگی: عمیق و پهن (شیار بزرگ) و باریک و کم عمق (کوچک )

12. چگونه مجموعه DNA موجود زنده (ژنوم) در هسته سلول ها جمع آوری می شود
1- کروموزوم ها ی متراکم به راحتی درون هسته جا می گیرند
2-کروموزوم ها در هر تقسیم سلولی بین دو سلول دختری تقسیم می شود
ژنوم انسان در 64 کروموزوم توزیع شده است.

13. چرخه سلولی و وضعیت کروموزوم ها در طول چرخه
در طی چرخه سلول محتوای ژنومی و غیر ژنومی سلول همانندسازی می کنند و بین دو سلول دختری تقسیم می شوند.
1- اینترفاز: کروموزوم ها به صورت رشته های طویل و نازک و درهم رفته DNA هستند (کروموزوم اینترفازی= کروماتین) - رونویسی از ژن ها- همانندسازی DNA و دوبرابر شدن ماده ژنتیکی: تبدیل کروموزوم تک کروماتیدی به دو کروماتیدی
2- فاز M:
میتوز: تراکم کروموزوم ها افزایش یافته (کروموزوم میتوزی) و طی تقسیم سلولی به راحتی از هم جدا می شوند
سیتوکینز: تفکیک سیتوپلاسم سلول مادری به دو سلول
کروموزوم اینترفازی (کروماتین)
کروموزوم میتوزی

14. در مرحله اینترفاز و میتوز، DNA در داخل کروموزوم ها بسته بندی می شود
مولکول های DNA توسط پروتئین های ویژه در ساختارهایی متراکم تر بسته بندی شده است. پروتئین هایی که در تراکم DNA نقش دارند:
1- پروتئین هیستونی
2- پروتئین غیر هیستونی
پروتئین های هیستونی + DNA = کروماتین
+ پروتئین های غیر هیستونی = کروموزوم
متراکم تر
کم تراکم تر

15. بسته بندی کروموزوم ها در چندین سطح اتفاق می افتد
DNA
هیستون ها
دانه های تسبیح مانند نوکلئوزومی
فیبر 30nm
( در این حالت 40 برابر نسبت به DNA فشرده تر می شود)
فیبرهای 30nm با اتصال به ماتریکس هسته ای تشکیل حلقه هایی را می دهد
کروموزوم میتوزی متراکم

16. هیستون ها با تشکیل نوکلئوزوم ها مسئول اولین سطح بسته بندی DNA هستند
اگر هسته اینترفازی شکسته شود و محتوای آن (فیبرهای 30 نانومتری) تحت تیمارهایی قرار بگیرند تا تاخوردگی آنها باز شود یک سری دانه های تسبیح مانند بر روی یک رشته مشاهده می شود که نوکلئوزوم نامیده می شود که قطر فیبر کروماتین در این مرحله nm 10می باشد

17. ساختار نوکلئوزوم
نوکلئوزوم: اکتامر (8 پروتئین ) هیستونی 2( H2A, H2B, H3 , H4) که DNA 146 جفت بازی حدود 1/7 دور اطراف آن پیچیده شده است.
هیستون های موجود در هسته نوکلئوزوم Core Histone می گویند و DNA که به طور محکم با نوکلئوزوم در ارتباط است Core DNA نامیده می‌شود و DNA بین نوکلئوزوم ها را Linker DNA یا DNA رابط می‌گویند
هیستون ها پروتئین هایی با اسیدهای آمینه بار مثبت (لیزین و آرژنین) می باشد که با بار مثبت به ستون قند-فسفات دارای بار منفی در DNA پیوند محکم برقرار می کند.
تشکیل نوکلئوزوم ها به عنوان اولین سطح بسته بندی DNA باعث می شود DNA به 1/3 طول اولیه اش تبدیل شود.

18. در طول DNA، هسته های اکتامر هیستونی با فاصله معین 200 bp از هم قرار گرفته اند که 146bp آن به هر اکتامر متصل شده است.

19. دومین سطح بسته بندی DNA
ایجاد فیبرهای 30 nm دومین سطح بسته بندی DNA می باشد که عوامل دخیل در این پیچیدگی:
1- علاوه بر هیستون های موجود در هسته نوکلئوزومی، گروه دیگری از هیستون‌ها به نام هیستون رابط (Linker Histon) وجود دارد که در مهره داران شامل H1 و H5 می‌باشد نفش آنها:
الف) - به نظر می‌رسد این هیستون‌های رابط باعث پیچیدن محکم‌تر DNA به دور نوکلئوزوم می‌شود .
ب) میانکنش بین هیستون‌های رابط منجر به جمع آوری نوکلئوزوم ها در فیبر 30 nm می شود.

20. 2- در هر یک از هیستون های مرکزی ( H2A, H2B, H3 , H4)، یک دنباله طویل آمینواسیدی در ناحیه N ترمینال وجود دارد که از ذره مرکزی نوکلئوزوم به خارج امتداد می یابد. الف) این دنباله های هیستونی در معرض چندین تغییر شیمیایی کواالان قرار می گیرند *** ب) میانکنش ناحیه دم یک هیستون با نوکلئوزوم مجاور برای تشکیل فیبر 30 nm لازم است

21. بسته بندی کروموزوم ها در چندین سطح اتفاق می افتد
DNA
دانه های تسبیح مانند نوکلئوزومی
فیبر 30nm
( در این حالت 40 برابر نسبت به DNA فشرده تر می شود)
فیبرهای 30nm با اتصال به ماتریکس هسته ای تشکیل حلقه هایی را می دهد
کروموزوم میتوزی متراکم

22. Chromatin
Chromosome
In the nucleus, the DNA double helix is packaged by special proteins (histones) to form a complex called chromatin. The chromatin undergoes further condensation to form the chromosome.
A compact structure of nucleic acids and protein found in the nucleus of most living cells, carrying genetic information in the form of genes.
Composed of nucleosomes-a complex of DNA and proteins (called histones). Represent DNA folded on nucleoproteins by a magnitude of 50. The chromatin fiber is app. 10 nm in diameter.
Chromosomes are condensed Chromatin Fibers. They are a higher order of DNA organization, where DNA is condensed at least by 10,000 times onto itself.
Chromatin Fibers are Long and thin. They are uncoiled structures found inside the nucleus.
Chromosomes are compact, thick and ribbon-like. These are coiled structures seen prominently during cell division.
Permissive to DNA replication, RNA synthesis (transcription) and recombination events.
Refractory to these processes.
Found throughout the cell cycle.
Distinctly visible during cell division (metaphase, anaphase) as highly condensed structures upto several thousand nm.
May have open (euchromatin) or compact (heterochromatin) conformations, which is dynamically regulated during the cell-cycle stages.
Predominantly heterochromatic state with a predetermined position in the nucleus and a specific shape such as metacentric, submetacentric, acrocentric, telocentric.
Electron microscope (beads on string appearance)
Light microscope (classic four-arm structure when duplicated)
In the nucleus, the DNA double helix is packaged by special proteins (histones) to form a complex called chromatin. The chromatin undergoes further condensation to form the chromosome. So while the chromatin is a lower order of DNA organization, chromosomes are the higher order of DNA organization. An organism’s genetic content is counted in terms of the chromosome pairs present. e.g. humans have 23 pairs of chromosomes.

23. تفکیک کروموزوم های میتوزی یک موجود از هم :
FISH (Fluorescent In Situ Hybridization)
Chromosome banding
موقعیت کروموزوم های اینترفازی

24. هیبریداسیون درجا فلوئورسنت

25. Chromosome banding
استفاده از رنگ هایی (مانند گیمسا) در نواحی غنی از A/T باندهای تیره تری ایجاد میکند.
با این رنگ آمیزی تعداد و ظاهر کرومزوم ها مشخص می شود که کاریوتایپ نامیده میشود.

26. کروموزوم های اینترفازی درون هسته سازمان دهی می شوند
با تکنیک FISH مشخص شد که کروموزوم های اینترفازی قلمرو مشخصی در داخل هسته دارد.

27. هستک آشکارترین مثال سازمان دهی کروموزومی در هسته اینترفازی هستک است.
هستک: محل تجمع بخش هایی از کروموزوم های مختلف است که مناطق سازمان دهنده هستکی نامیده می شود.
مناطق سازمان دهنده هستکی از تکرارهای پشت سرهم از توالی rDNA (ژن های کدکننده RNA ریبوزومی) تشکیل شده است که در چندین کروموزوم متفاوت قرار گرفته اند.
به عنوان مثال در انسان هستک محل 200 کپی از rDNA می باشد که روی 5 کروموزوم متفاوت قرار گرفته است.
در هستک RNA ریبوزومی ساخته می شود و با پروتئین های ریبوزومی ترکیب می شود تا زیرواحدهای ریبوزومی ساخته شود

28. تنظیم ساختار کروموزوم (کروماتین)
آیا میزان بسته بندی و فشردگی DNA در درون کروماتین ثابت است یا متغیر؟؟
در مرحله اینترفاز، کروموزوم های اینترفازی (کروماتین) دارای:
شکل متراکم کروماتین = هتروکروماتین
1- هتروکروماتین دائمی: نواحی که در تمام سلول ها به صورت ساختار فشرده باقی می ماند (سانترومر- تلومر)
2-هتروکروماتین اختیاری: ژن هایی که در برخی سلول ها و یا زمان ها بیان نمی شود
شکل غیرمتراکم و قابل بیان کروماتین = یوکروماتین
میزان تراکم کروماتین در نواحی مختلف قابل تغییر است

29. 1- بازآرایی نوکلئوزوم 2- تغییرات شیمیای هیستون ها
تغییر ساختار کروماتین میزان دسترسی آنزیم های مختلف (دخیل در بیان ژن، همانندسازی و تعمیر) را به DNA تغییر می دهد.
به عنوان مثال فعال کننده های رونویسی باعث جذب آنزیم هایی می شود که باعث باز شدن ساختار کروماتین و دسترسی آنزیم RNA پلی مراز و بیان ژن می شوند
راه های تغییر ساختار کروماتین (نوکلئوزوم)
1- بازآرایی نوکلئوزوم 2- تغییرات شیمیای هیستون ها

30. بازآرایی نوکلئوزوم
کمپلکس های بازآرایی کننده نوکلئوزوم: از انرژی حاصل هیدرولیز ATP برای سست شدن و باز شدن DNA نوکلئوزومی و تغییر موقعیت DNA پیچیده شده در اطراف نوکلئوزوم استفاده می کنند که در نهایت منجر به تراکم زدایی کروماتین و دسترسی به DNA یا افزایش تراکم کروماتین می شود.

31. تغییرات شیمیایی هیستون ها (استیلاسیون و داستیلاسیون هیستون ها)
تغییرات شیمیایی هیستون ها (استیلاسیون و داستیلاسیون هیستون ها)
ناحیه N ترمینال هیستون های مرکزی دم هایی را تشکیل می دهد که از اکتامر مرکزی به سمت خارج کشیده شده و محل تغییرات شیمیایی است
استیلاسیون ناحیه دم هیستون ها باعث خنثی شدن و کاهش بار مثبت در آنها می شود و بنابراین تمال آنها را برای بارمنفی اسکلت DNA کاهش می دهد و منجر به باز شدن ساختار کروماتین می شود و داستیلاسیون برعکس
تغییرات هیستونی توسط آنزیم هایی مانند هیستون استیل ترانسفراز ((HAT و هیستون داستیلاز( HDAT) ها انجام می شود

32. تغییرات شیمیایی هیستون ها (متیلاسیون هیستون ها)
متیلاسیون توسط آنزیم متیل ترانسفراز انجام می شود و بسته به محل متیلاسیون باعث افزایش یا کاهش تراکم کروماتین می شود
متیلاسیون در لیزین 9 و 27 ناحیه دم H3 باعث متراکم شدن و خاموشی بیان ژن می شود
متیلاسیون در لیزین 4 ناحیه دم H3 باعث دسترسی DNA و بیان ژن می شود

33. تاثیرات تغییرات شیمیایی هیستون ها در ساختار کروماتین و بیان ژن
1- تغییرات شیمیایی هیستون ها مستقیما در تراکم و یا باز شدن کروماتین نقش دارد.
مثال: استیلاسیون هیستون ها باعث کاهش بار مثبت دم های هیستونی و کاهش تمایل به اسکلت بار منفی DNA می شود
2- تغییرات شیمیایی (استیلاسیون) ناحیه دم هیستون ها مانع شرکت نوکلئوزوم ها در تشکیل فیبر های 30 nm میشود. مثال: استیلاسیون هیستون ها
3- تغییرات شیمیایی باعث ایجاد کد هیستونی می شوند که این کد ها توسط پروتئین ها و آنزیمهای دیگر شناسایی می شوند
مثلا جذب یک سری فاکتورهای رونویسی توسط جایگاه های استیله شده و در نتیجه افزایش رونویسی
جذب دوباره آنزیم های تغییردهنده هیستون ها مثلا گروه های استیل باعث جذب هیستون استیل ترانسفراز ها و حفظ وضعیت استیله هیستون ها می شود
جذب کمپلکس های بازهارایی نوکلئوزوم ها و بنابراین افزایش یا کاهش تراکم و دسترسی به DNA

34. DNA Methylation
تغییرات شیمیایی DNA در کنار هیستون ها نیز در بیان ژن موثر است.
متیلاسیون DNA در مهره داران توسط آنزیم متیل ترانسفراز در باز سیتوزین در توالی CpG اتفاق می افتد
در اغلب موارد ( اما نه همیشه) متیلاسیون DNA با از دست دادن بیان ژن مرتبط است.
مکانیسم کاهش بیان
1- DNA متیله مانع اتصال فاکتورهای رونویسی و بنابراین مانع بیان ژن می شود.
2- متیلاسیون DNA باعث جذب سایر آنزیم ها و پروتئین ها از جمله هیستون داستیلازها و کمپلکس های بازارایی کروماتین شده که به تشکیل ناحیه هتروکروماتین کمک می کنند.

35. غیرفعال سازی کروموزوم x با ایجاد هتروکروماتین
یک کروموزوم x در پستانداران ماده (xx) به طور تصادفی متراکم و غیرفعال می شود تا نسبت به جنس نر (xy) تعادل برقرار شد
غیرفعال شدن کروموزوم x به صورت دائمی در طول تقسیم سلول حفظ می شود.
تشکیل هتروکروماتین با متیلاسیون DNA+ داستیلاسیون هیستون ها+ متیلاسیون لیزین 9 هیستون H3 و دمتیلاسیون لیزین 4 هیستون H3همراه است.

36. 1-تغییرات ساختار کروماتین می تواند به ارث برسد
یک سلول تمایریافته مثل کبدی و اندوتلیال روده در طی تقسیم الگوی بیان ژن را در سلول های دختری حفظ میکند
در یک سلول دختری، یک سری هیستون های جدید ساخته می شود و یک سری هیستون های تغییریافته والدی به ارث می رسد.
هیستون های تغییریافته قدیمی باعث جذب آنزیم هایی می شود که تغییرات مشابهی را در هیستون های جدید ایجاد می کند و بنابراین الگوی ساختار کروماتین در سلول های دختری حفظ می شود.
(مثلا گروه های استیل باعث جذب هیستون استیل ترلنسفراز ها و ایجاد استیلاسیون بیشتر و حفظ آن می شود)

37. 2- تغییرات ساختار کروماتین می تواند به ارث برسد
الگوی متیلاسیون در طی تقسیم سلول توسط آنزیم های متیل ترانسفراز حفظ میشود.